高超声速飞行器级间分离偏差干扰仿真

以大气层内高超声速条件下级间分离过程为对象,研究了利用蒙特卡洛方法对随机偏差干扰下的这一过程进行仿真分析的途径。分析了随机偏差对分离运动的影响,建立了能够支持偏差耦合仿真的分离动力学模型与分离运动特征值计算模型,建立了利用蒙特卡洛方法进行分离过程仿真的具体流程,最后通过算例验证了模型的合理性与仿真方法的有效性。研究结果表明,通过蒙特卡洛方法可实现对随机偏差干扰下高动压分离过程的运动范围、潜在风险以及失败概率进行定量预测。     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。     

新型级间分离方案设计与仿真

设计了某新型导弹级间分离方案,结合级间冷分离和级间热分离的优点,采用固体燃气发生器和反推发动机作为分离能源,提出了合适的分离方式和分离时序。建立了分离过程的运动学和动力学模型,设计了碰撞检测模型,在分离仿真时考虑反推发动机推力偏差和下面级残余推力偏心和偏斜对分离的影响,还采用了蒙特卡洛方法分析了分离体运动范围,得到分离体在偏差干扰下运动情况,同时得到了分离危险时刻中心点相对横移范围,打靶仿真中没有出现碰撞现象,分离体的相对运动在分离要求范围内,说明该分离方案是安全可行的。     

基于无滚转导弹两级轴线出现偏差的级间分离运动分析

针对导弹飞行过程中存在扰动因素影响时两级轴线出现偏差的情况,建立了无滚转导弹的偏差分离模型。基于此模型,对常风、发动机推力偏差、连接误差等3种扰动下的导弹级间分离过程进行了仿真计算。计算结果表明,仅存在垂直风影响时,导弹俯仰角增大较多,分离过程时间减少,发动机推力正偏差和横移加快弹体分离,发射时助推级俯仰角不变,不同主级连接误差对分离过程时间影响微弱。计算结果与飞行力学理论一致,进一步证明了偏差分离模型的正确性。     

导弹级间热分离动态特性仿真研究

级间热分离具有改善和提高继续飞行级的稳定性和入轨精度而被固体弹道式导弹广泛采用。以某导弹级间热分离为研究背景建立了分离动态方程,基于ADAMS平台进行了参数化模型的分离动力学仿真分析,协调、选择级间分离的各种参数,阐述了级间热分离需考虑的主要问题。研究表明,虚拟现实技术是实现合理选定导弹级间热分离时序的有效途径,不仅可提高分离系统设计、分析和校核过程中的条理化和清晰度,而且为实现分离系统设计与仿真的精确化、可视化、组合化和通用化提供了较好的基础。     

空间包络式抓捕机构非接触/接触一体化导纳控制

研究了一种具有闭环约束的空间包络式抓捕机构运动建模和非接触与接触一体化导纳控制。该抓捕机构具有可控的包络结构,能够通过与非合作目标发生多点多次接触,实现柔顺捕获。给出了空间包络式抓捕机构显式的动力学模型和接触模型。设计了具有统一形式的非接触与接触导纳控制策略。该策略在机器人接近目标过程中采用非接触式导纳控制,以降低机械臂与目标物体首次碰撞的接触力,在捕获目标过程中采用接触式导纳控制,减少碰撞次数,获得更大的夹持接触力。数值仿真展示了控制策略的有效性。     

固体发动机推力偏差对导弹级间分离的影响

考虑固体发动机推力偏斜和横移的影响,应用六自由度弹道方程对地空导弹级间分离进行了建模、仿真。对级间分离后主级受控信号被助推级遮挡过程进行了建模分析。仿真计算表明,推力偏斜和横移对分离(或遮挡)过程影响较大;分离时间越晚,过程时间越短;第一个滚转周期内的推力偏差对结果有决定性影响。     

多约束下小卫星的能量最优主动碰撞规避控制

针对小卫星间近距离的碰撞问题,提出一种多约束下能量最优的主动碰撞规避控制。该算法建立小卫星的运动学模型和约束模型,通过坐标变换将质心坐标系下的运动映射到地球惯性坐标系,然后通过约束的限制来制定碰撞规避策略,最后选取小卫星能量最优化指标和哈密顿函数,给出最优条件下的速度增量和方向,通过Matlab仿真给出惯性系下碰撞过程中的规避轨迹,证明设计的碰撞规避控制的有效性和可行性。     

基于改进协同优化方法的固体运载火箭多学科设计优化

研究固体运载火箭多学科协同设计优化问题.建立固体运载火箭多学科设计优化相关学科模型,包括总体学科、推进学科、气动学科、质量学科和弹道学科模型,构建固体运载火箭协同优化设计框架；提出含序贯策略的改进协同优化方法,解决固体运载火箭学科间耦合变量过多带来的系统级设计变量规模过大问题,实现固体运载火箭多学科协同设计优化.仿真结...     

火箭级间分离过程流场数值模拟

火箭级间不同排焰窗位置构型会对级间动态热分离过程产生影响,采用耦合求解轴对称非定常N-S方程与一维分离动力学方程的方法,开展了多个工况的数值仿真,研究了不同排烟窗位置的影响。结果表明,排焰窗位置更加靠近二级火箭时有利于两级火箭在分离过程中获得较高的相对加速度,促进两级火箭的快速分离。但此时级间区域流场在分离过程中存在剧烈震荡的阶段,而当排焰窗位置更加靠近一级火箭时,级间区域流场则相对平稳,一级火箭前封头受力也更加均匀。     

可重复使用运载器级间分离过程研究

级间分离过程中，可重复使用运载器受到非定常扰动，可能会造成分离失败。为研究级间分离过程中可重复使用运载器运动特性及周围流场分布随分离高度的变化情况，建立航天器和运载器的运动方程，使用动网格技术和有限体积法求解N-S方程。研究结果表明：随着级间分离高度的升高，气动力不断减小，非定常扰动对分离产生的影响越来越小；分离过程中，航天器和运载器的平动速度差较小，角速度差越来越小，最大差值从30 km高空的0.427 rad/s减小到50 km 高空的0.1 rad/s，二者之间的最小距离变大，更有利于安全分离。     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

环向肋增稳的薄壁圆筒结构定向拓扑优化方法

针对广泛应用于飞行器的薄壁圆筒结构,在优化设计时未考虑薄壁特性导致优化结果加工性和稳定性欠佳的问题,提出一种面向飞行器总体设计阶段的环向肋增稳薄壁圆筒结构定向拓扑优化方法.该方法首先依据薄壁结构壁厚方向将有限单元划分成组,以单元组为基本单位构成优化设计空间,保证优化结果具有定向性,进而保证优化结果符合薄壁结构加工特性;...     

多目标多约束组合体与飞船轨道维持优化

针对天宫二号/神舟十一号任务组合体运行与飞船返回要求，建立了升交点经度、轨道偏心率、指定时刻轨道高度及速度倾角等多目标特征参数的控制方程；根据组合体至飞船撤离准备各阶段的飞行特点，分析了近圆轨道偏心率中长期演化情况以及飞船返回双脉冲控制量随控制时间的变化规律，提出了通过两次组合体与飞船联合规划来满足不同约束的控制策略；根据撤离后飞船、天宫以及伴星的相对运动关系研究了结合规避控制的飞船双脉冲维持优化控制方案。最后依据神舟十一号任务的飞行过程，设计算例验证了该方法的有效性，具有较好的工程应用价值。     

低冲击分离装置冷气驱动分离过程的动力学建模与试验

介绍了一种低冲击分离装置的结构,并对冷气驱动分离试验进行了分析,依据能量守恒公式和空气动力学原理,为分离装置的冷气驱动分离过程构建了数学模型;对某型号的低冲击分离装置的冷气驱动分离过程进行了仿真和试验,仿真结果与试验数据相吻合;对冷气驱动试验过程中部分参数变化对分离过程中峰值气压的影响进行了仿真,仿真结果对分离装置的设计和优化具有指导意义。     

一种新型级间分离技术研究

本文对一种含固体燃气发生器的级间分离技术进行了研究。首先给出了分离的总体方案，建立了级间段气体压强瞬变的数学模型和导弹两级的运动模型，并利用流体动力学软件对级间段充气过程进行了模拟。简要介绍了固体燃气发生器的设计，并给出燃气发生器装药的选取原则。最后通过对某型号导弹的计算，证明这种级间分离方案是可行的。     

双脉冲发动机点火过程三维数值模拟

以喷射棒式双脉冲发动机燃烧室、级间隔离装置和喷管一体化为研究对象,采用数值仿真技术对Ⅱ脉冲点火过程三维流场特性进行分析研究。计算结果表明,点火初期燃气压力波峰超前于火焰峰到达级间隔离装置,并以压强冲击波形式传播,Ⅱ脉冲燃烧室相对高压区位置不断发生改变;级间孔打开过程对药柱末端压强影响较大,但对Ⅱ脉冲燃烧室压强整体上升过程影响较小;级间孔打开后,燃气经级间孔加速后形成高度欠膨胀射流,并在Ⅰ脉冲燃烧室内形成非对称带状低压区;级间孔分布的非对称性,导致压强及温度在发动机燃烧室中呈现显著的三维分布特性;高温区出现在隔板附近,而在装药前端、装药末端及外围级间孔轴线附近出现低温区。     

金属膜片充压翻转的动态仿真方法研究

弧长法是目前膜片翻转仿真使用最普遍的方法,但该方法存在收敛性差、计算效率低等问题。基于理想气体状态方程,建立锥柱形金属膜片充压翻转的流固耦合有限元模型,提出膜片充压翻转的显式动态仿真法。通过与基于准静态分析的弧长法分析结果和实验结果的对比,验证了显式动态仿真结果的合理性。研究了充气速度对膜片翻转过程中压差曲线和偏心程度的影响。所提方法计算效率高,解决了目前仿真分析中存在的收敛性问题,为金属膜片设计提供了一种重要的仿真技术手段。     

基于蒙特卡罗方法的小卫星偏心分离动力学分析

对小卫星单星偏心分离动力学进行了研究。建立了基于多体动力学理论的偏心在轨分离模型,用ADAMS平台对小卫星分离过程动力学进行仿真,结果显示两者误差小于0.15%,验证了仿真模型的正确性。用Monte-Carlo法对分离动力学性能进行了优化,分析了不同因素对分离角速度和分离速度的敏感度,给出了三种优化方案。